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1、本科学生毕业设计基于单片机的多通道数据采集器的设计系部名称： 电子工程系 专业班级： 电气工程及其自动化 B04-37班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 黑 龙 江 工 程 学 院二八年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Multi-channel Data Acquisition System Based on MCUCandidate: Zhang Zhaopeng Specialty: Electrical Engineering and AutomationClass: B04-37Supervisor:
2、 Lecturer Shang JinHeilongjiang Institute of Technology2008-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要数据采集系统的应用范围越来越宽、所涉及到的测量信号和信号源的类型越来越多、对测量的要求也越来越高，国内现在已有不少数据测量和采集的系统，但很多系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对测试环境要求较高等问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统。本文在分析了不同类型的单片机的特点及单片机与PC机通信技术的基础上，设计了单片机控制的采集系统，并通过串口通信实现单片机与PC机之间的通信，实现将数据传送到P
3、C机上，完成了单机的多通道数据采集系统的设计。基于单片机的多通道数据采集系统是将来自传感器的信号通过放大、线性化、滤波、同步采样保持等处理后，输入A/D转换器转换为数字信号后由单片机采集，然后利用RS-232串口通信将数据送到PC机进行数据的存储、后期处理与显示，实现了数据处理功能强大、显示直观、界面友好、性价比高、应用广泛的特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域。关键词：多通道；数据采集；单片机；通信；串行接口ABSTRACTThe application rage of data acquisition system is becoming wide inc
4、reasingly, the types of measurement signal and signal source are also more and more, Surveyors also require much higher measure requirements. Domestic now have a lot of date acquisition and measure systems, but there are many systems involving these issues: single function, less collection access, l
5、ow collection rate, high demands of collection test environment and so on. So people require a broad scope of application, high reliability and low-cost data acquisition system.Based on the analysis of the characteristics of different types of SCM and communication technology between SCM and PC, thi
6、s paper designs collection system based on SCM, completes communication between SCM and PC by serial communication .then the paper finishes multi-channel acquisition system based on SCM by communicating data to PC. Multi-channel acquisition system based on SCM can process signal from sensor by ampli
7、fication, liner filtering. After processing maintain synchronous sampling, which converted to digital signal input A/D conversion by SCM Acquisition, Then, sending the data to PC by RS-232. The data can be stored, processed and displayed. So a wide range of features can be widely used in industrial
8、control equipment, instruments, and electrical engineering integration, intelligent home and many other fields.Key words: Multi-Channel; Data acquisition; MCU; Communication; Serial interface II黑龙江工程学院本科生毕业设计目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 引言11.2 国内外研究现状21.2.1 数据采集与处理的发展趋势21.2.2 国内外数据采集器的应用现状31.3 课题研究的主要
9、内容4第2章 单片机的多通道采集技术52.1 单片机技术52.2 数据采集技术72.3 通信技术82.4 方案论证102.4.1 模数转换器的方案选择102.4.2 通信方式的方案选择112.4.3 最终系统设计框架112.5 本章小节12第3章 硬件部分设计133.1 单片机的选型133.2 12位双积分A/D转换器ICL7109153.3 高精度运算放大器AD OP-07183.4 译码器74HC154183.5 电源电路设计203.6 看门狗电路及接口设计213.7 本章小结22第4章 软件部分设计234.1 初始化程序234.2 A/D转换子程序244.3 串口通信程序244.4 抗干
10、扰设计254.4.1 硬件抗干扰设计254.4.2 软件抗干扰措施254.5 本章小结28结束语29参考文献30致谢31附录 A32附录 B33黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章 绪 论1.1 引言 在现实中要通过计算机对现实世界中的信息进行处理和显示，首先必须将计算机和现实世界联系起来，这需要将真实世界中的各种信号（称为模拟信号）转化为计算机可以识别、存储的信号（称为数字信号），这一过程即是数据采集。数据采集技术是以前端的模拟信号处理、模拟信号数字化、数字信号处理和计算机控制技术等高科技为基础而形成的一门综合技术。它在许多领域得到了广泛的应用。数字技术促进了上述这些领域的发展，而反过来又对数
11、据采集系统提出了愈来愈高的要求。一个大型的数据采集系统由以下几个部分组成：数据测量、数据采集、数据传送、数据存储、数据处理、数据分析和数据显示等1。随着计算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，现代的测量系统在数字信号处理方面的能力也大大加强了，形成了所谓的数字化测量技术。数字化测量就是借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，并转换成电信号，然后进行信号调理和A/D转换，使之转换成为能够在数字系统中进一步处理的数字信号。具体来说，就是将电压、电流、温度、压力等物理信号转化为数字量并传递到计算机中。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用；目前，传感器正不断朝着多功能
12、性和智能性方向发展。在当今网络化时代，以Internet为代表的计算机网络通信的发展和应用取得了前所未有的突破和成功，网络化测量、采集和（对网中仪器设备的）控制技术正随着网络技术的发展而迅速发展冈。网络化、分布式的数据采集优势体现在：采集范围扩大，处理能力增强，信息索取更加方便，并且能够适应场合变更的需要。凭借这些优良的性能，网络化测量和控制己经成为数据采集技术发展的必然趋势。传感器技术、计算机技术和网络技术的长足发展以及由此所产生的测量需求成为数据采集技术发展的不竭动力，并对数据采集技术提出了更新、更高的要求：测量的方法、可测量的种类和范围应不断拓宽和更新，准确度要提高，可靠性要增强，并能够
13、适应各种不同的实验环境需要。简而言之，数据采集技术的发展离不开传感器和计算机控制技术，网络化测量、采集和控制是其发展的必然趋势。国内现在有不少数据测量和采集的系统。这些数据测量和采集系统的研制成功解决了部分用户需要，但是也有一部分系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂，并且对测试环境要求较高等问题。本文在研究单片机技术、单片机数据采集及单片机通信技术的基础上，设计并实现了基于单片机的多通道数据采集系统，该系统具有构造简单、性能稳定、造价低廉、便于维护等特点，可广泛应用于工业控制、仪器，仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域。1.2 国内外研究现状1.2.1 数据采集与处理的发展趋势
14、数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，并送到计算机，然后将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。 当计算机技术应用到各个领域中并取得不俗表现后，测量技术又经历了一场全面数字化的变革。传统的数据采集过程包括了：测、处、管、控四个部分，应用了计算机技术之后，这四个环节的工作在时间和空间上的界限就不再那么明显了，换句话说当数据采集电路通
15、过传感器将测量值采集、量化之后，通过计算机接口传入计算机中利用软件来完成对大量测量数据的处理，而这一切，都因为计算机在数字信号处理方面无可比拟的优势而能够瞬间完成，数据采集硬件和软件的集成也就产生了数据采集系统的概念。 作为一个整体而言，数据采集系统的发展将受到多方面的影响，比如：测量技术、传感器技术、软件技术、网络技术以及在实践中不断提出的新要求，这些因素都将在很大程度上影响数据采集系统的发展。 测量技术在其发展过程中，会不断产生新的测量需求，对测量数据的多样性及准确性的要求也正在逐步提高。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用。在21世纪，传感器在多功能性和智能性方向的发展仍
16、将对测量技术的发展产生深刻的影响。 现代控制技术的发展对测量技术不断提出了新要求，具体表现在： 1、随着科技的快速发展，现代生产的自动化程度在提高，技术难度在增加，采用的控制技术、控制系统的组成和方式都在不断变化，各类控制系统和装置没有完善的检测手段是不可能适应要求的。 2、从当前世界自动化技术的发展趋势看，现代控制技术趋于全程化。即在生产（或制造）过程的全部时间领域内实现在线控制和管理。这意味着过程控制系统将提供工厂设备在其生产周期内的完整数据，以保证对每日的操作运行的优化。 3、现代控制技术应用人工智能技术（模糊逻辑，人工神经网、专家系统、模式识别、遗传算法和小波分析）对生产过程参数进行测
17、量，以提高控制精度，保证品质。 4、传统的工业控制技术主要是对设备和生产过程的控制。今天，除了复杂生产过程仍然是人们研究应用的重要对象以外，现代控制技术的应用已经扩展到企业产品的设计过程、管理过程以及企业间的资源分配和优化，如现代物流、供需链管理、电子商务等。可见，现代控制技术对计量测试技术的发展至关重要。现代控制技术的长足发展以及它所产生的测量需求已成为测量技术发展的不竭动力，正不断地促进和推动着计量测试技术的发展2。1.2.2 国内外数据采集器的应用现状1、国外数据采集器的现状随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国外数据采集技术己经有了很大的发展。从近来国外公
18、司展示的新产品可以看出，主要的发展可以概括为体积小、功能多样和使用方便等三个方面。此外，数据采集器的应用特点还反映在如下几个方面: （1）它既是一台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪，不仅有常用的时域分析和频域FIT分析，而且还可以做倒谱、细化、包络谱和时频域分析等功能；（2）它既是采集器，又可以兼做其它仪器来用。如法国迈威公司的MOVILOG数据采集器，就可作为一台动平衡仪来用，它不但可以做单一平面的动平衡，还可以做六个平面的动平衡；（3）储存量大，从低频到高频频率测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各种监测范围需要；（4）可利用振动传感器或过程传感器或电量传感器等输入多种物理量，
19、如振动加速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压、电流和功率等，形成多参数监测系统；（5）数据采集器配套的软件是以通用窗口的软件为基础，功能较强。一套软件可同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器；（6）数据采集器已经安装了LCD背光显示屏，并尽量减少了操作键，元器件高度集成化，并减轻了机器的重量，采用防水防撞击的密封外壳，能适应恶劣的工业环境。2、国内数据采集器的现状上世纪80年代末到90年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器，其中单通道的有SP201，SC247型，双通道的有EG3300，YE5938型，超小型的有911，902和921型。具有采集静态信号的有SMC-901
20、2型。所配套的软件包基本上包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般状况监测和故障诊断，基本己经达到了国外数据采集器的初期水平。但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着一定的差距，主要表现在：（1）由于受国内振动等传感器水平的限制，分析频率范围不宽，给一些高速的机器或轴承的诊断等带来了一定的困难；（2）由于数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号处理功能不强，在现场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，现场精密诊断功能较弱；（3）设备的软件水平仍在设备维修管理和基本频谱分析上徘徊，机器故障诊断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。
21、数据采集是整个工厂自动化的最前端，测试精度、速度与实现该功能的成本是数据采集三个重要因素，数据采集也正朝着这几个方向发展.高速、实时数据采集在运动控制、爆炸检测、医疗设备、快速生产过程（如石油化工过程）和变电站自动化等领域都有非常重要的应用例，这些行业中，对高速数据采集的需求远远超过目前实际可以实现的程度。用户的需求促进了技术的发展和新产品的出现，因此，数据采集仍然会有长足的发展。1.3 课题研究的主要内容本论文研究的是具有构造简单、性能稳定、造价低廉、便于维护等特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等诸多领域的基于单片机的多通道信号采集系统。在硬件结构上，它主要由单片机
22、（MCU）、A/D转换器、与PC机联接的通信电路、PC机等。在软件结构上，它主要由多路信号采集，PC机与单片机通讯，数据实时动态显示，数据处理及保存等程序。本论文主要对基于单片机的多通道数据采集系统的结构及功能进行分析，并设计与实现基于单片机的多通道信号采集系统，完成并进行性能分析。本次设计需要完成以下工作：研究基于单片机的多通道数据采集系统的设计及实现。该工作是在分析了不同类型的单片机的特点及单片机与PC机通信技术的基础上，设计了单片机控制的采集系统，并通过基于RS-232总线的串口通信实现单片机与PC机之间的通信，实现数据的传送并将数据在PC机上显示及存储。并给出了该系统硬件、软件实现的方
23、法及分析。 第2章 单片机的多通道采集技术数据采集电路通过传感器将测量值采集、量化之后，通过计算机接口传入计算机中利用软件来完成对大量测量数据的处理，数据采集系统的发展将受到测量技术、传感器技术、软件技术、网络技术等因素的影响，数据采集系统的核心元件是单片机，关键的技术是数据采集及计算机通信技术3。2.1 单片机技术在信号采集系统中，单片机主要担当控制ADC，并对采集到的数据传输到上位机的角色，同时若上位机反馈信息、指令，单片机收到指令后还需对外围设备进行相关的控制。单片机己广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简
24、单，故障率低，可靠性高，成本低廉。下面介绍几种常见单片机的特点： 1、MCS51单片机MCS51系列单片机开始是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的，但现在以MCS51技术核心为主导的单片机己成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象，并以此为基核，推出许多与MCS51有极好兼容性的CHMOS单片机，同时增加了一些新的功能。例如ATMEL公司推出的AT89S51单片机，PHILIS公司系列单片机，华邦（WINBOND），Silicon公司出品的C8051Fxxx单片机。以现在常用的AT89C51为例:AT89C51是一种低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可系统编程的Fl
25、ash只读程序存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51系列指令系统及引脚。它集FLASH程序存储器既可在线编程也可用传统方法进行编程，片内置通用8位微处理器和FLASH存储单元，功能强大的AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域4。2、PIC单片机由美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品，首先采用了RISG结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。在全球都可以看到PIC单片机从电脑的外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域
26、的广泛应用。现今的PIC单片机已经是世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一。PIC8位单片机具有指令少、执行速度快等优点，其主要原因是PIC系列单片机在结构上与其它单片机不同。该系列单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构。这种结构与一般采用CLSC（复杂指令集计算机）的单片机在结构上是有不同的。PIC的结构特点还体现在寄存器组上，如寄存器I/O接口、定时器和程序寄存器等都是采用了RAM结构形式，而且都只需要一个周期就可以完成访问和操作。而其它单片机常需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。上述各项，就是PIC系列单片机能做到指令总数少，且大都为单周期指令的重要原因。 3、A
27、VR单片机AVR单片机是ATMEL公司1997年推出的精简指令集（RISC）单片机系列。ATMEL公司通过AVR把RISC技术带到了8位单片机世界，这种全新的结构带来了很多优势。该系列的程序存贮器是在片内的Flash存贮器，可以反复修改上千次、这对新产品开发，产品升级都是很方便的。单片机的指令基本上都是单个晶振周期的，能够到1MIPS/MHz的性能。该系列单片机针对应用C语言编程做了优化。这一系列单片机好的多型号都是宽电压工作的，同时有各种睡眠模式有利于降低系统功耗。再加上内部的振荡器、看门狗、上电复位、A/D输入，PWM输出等功能，它也可以称为“零外设”的单片机，具有片上系统（SOC，sys
28、tem on chip）的雏形。因此AVR单片机适合于很多领域的应用，表现出卓越性能。AVR单片机家族已经发展成为一个很全的系列：包括TINY AVR、MEGA AVR、LCD AVR、USB AVR、DVD AVR、RF AVR、SECURE AVR、FPGA AVR等类别。Tiny AVR系列的典型芯片如Tiny11、Tiny12、Tiny13等等，这一类型的单片机的特点是很好的把价格、性能和灵活性结合在一起，典型的应用包括锂电池充电器、冰箱控制和门禁系统等等。AVR mega系列的典型芯片如Atmega8，Atmegal6等等，这一类型的单片机的特点是带有具有自编程能力的程序存储器，可以
29、通过SPI、USART、和二线制接口（IC）编程，适合于需要远程编程和现场升级的应用领域；同时该类型单片机具有很全的外围设备适合于多种应用。同时还有一些增加了面向特殊应用具有特殊功能的单片机。这些单片机都是在相同的AVR的基础上加上了面向应用的特殊功能，LCD AVR加上了LCD驱动器比如Atmega169能够驱动425段的LCD。USB AVR单片机例如：AT43USB351M集成了USB的物理层和数据链路层的硬件协议，同时由AVR核通过编程实现传输层的实现。DVD AVR例如：AT78C1501内部通过AVR核实现内部数据通道核缓存的控制。RF AVR例如：AT86F401在AYR核的控制
30、下实现开关键控的无线射频数据传输。SECURE AVR例如：AT90SC19264RC是带有AVR核的实现IS07816协议的用于智能卡的单片机。FPGA AVR例如：AT94K05A则内部集成有FPGA。这些类型构成了AVR系列单片机的庞大家族，使AVR在相应应用领域发挥独特性能。尽管AVR系列单片机型号繁多，功能各异，但是所有AVR单片机都有相同的存储器结构和指令集，因此各系列AVR单片机之间的代码移植是很方便的。不同系列单片机都会分别具有配置不同的SRAM，EEPROM，外部SRAM的接口，AD转换器，硬件乘法器，UART，USART等等外围设备。目前单片机的发展速度较快，单片机的型号繁
31、多，要根据设计不同系统的功能要求、性能指标及价格等选择型号，一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用RISC型单片机：控制关系较复杂的场合，如通讯产品、工业控制系统应采用CISC单片机。2.2 数据采集技术目前数据采集系统已广泛地应用到测量、监洲、控制、诊断、科学试验等各个领域中。近二十年来，数据采集技术得到了飞速的发展，在形式上由原来的专用的测试仪器到现在的使用微机的虚拟仪器；采集的分辨率从4位、8位到现在的24位分辨率；采集的速率从几KPS到现在最高速率己达2GPS，记录设备从原来的手记、纸带的模拟或数字记录到磁带记录，到现在的硬盘记录、磁光盘记录。 对于数据采集系统中使用哪种技术取决于
32、对下列因素的权衡：1、分辨率。由于精密元件成本高，所以随着分辨率的提高，A/D转换器的价格也会急剧上升。8位分辨率的模拟多路器的每通道价格几乎相当于一个转换器的价格。分辨率高于12位时，情况则相反，模拟多路切换趋于更加经济。2、通道数。通道数决定所用多路器的大小、连线数量以及内部连接。在许多情况下，把数字多路器连到共用数据总线上，可使连线数量降到最低。模拟多路切换适用于8-256个通道;超过这个数目，此技术就难以应用，模拟误差也很难减小。在大系统中，模拟和数字多路切换技术常结合在一起应用5。3、检测速度或吞吐量。高速A/D转换器会使系统造价大幅度上升。如果模拟多路器要求高速转换器以达到所要求的
33、采样速率，那么，每一通道配置一个低速转换器，并进行数字多路切换就会便宜些。4、信号电平及调理。对模拟多路切换而言，要使诸通道间具有宽广的动态范围是很困难的。低于iv的信号，一般要求价格昂贵的、差分低电平模拟多路切换，而且在MUX（多路器）操作之后，还要有可编程增益放大器。另一种方法可能更有效，这就是：每个通道用一个放大倍数固定的运算放大器，并针对该通道的要求设计信号调理，同时采用数字多路切换。5、检测点的物理位置。鉴于模拟信号存在衰减、传输线反射以及干扰等问题，模拟量多路切换适合于距转换器几百英尺以内的检侧。依据信号电平、传输距离以及环境噪声，传输线可从双绞线到多芯屏蔽电缆。如果有合适的传输设
34、备，在几千英里范围之内，均可进行数字切换操作，因为数字传输系统能提供长距离传输所要求的功能强大的抑制噪音特性。2.3 通信技术通信是信息的处理、传输与交换过程，也就是信息的交流。我们通常把信息的发生者称为信源，信息的接收者称为信宿，传播信息的媒介称为载体，信源和信宿之间的信息传输的途径与设备称为信道。通信技术是研究如何将信源产生的信息，通过传输媒介，高效、安全、迅速、准确地传送到受信者的技术。通常，根据传输介质的不同，通信技术可分为有线通信技术和无线通信技术两大类：根据传输信号类型的不同，通信技术可分为模拟通信技术和数字通信技术。计算机通信按接口来分可分为并行通信方式和串行通信方式。1、并行通
35、信方式 并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近题离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传输速度快，处理简单，缺点是所需连接线多，远距离通信时成本高。2、串行通信方式串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并一串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用6。串行传输类型
36、生要有以下几种：（1）RS-232串行通信接口目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地，典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5+I5V，负电平在-5-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3+12V与-3-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差
37、，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15m，最高速率为20kb/s，RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。计算机上的串行通信端口RS-232是标配，虽然与现在的一些新出的标准相比，RS-232通信数据低，传输距离短，但由于其控制相对简单，设计成本低，在许多工控设备、电子测量仪器上都备有RS-232通信端口侧。一般的计算机将COM1以9Pin的接头接出。（2）RS-422串行通信接口如果在工业环境杂讯干扰较强，用RS-232作为传输就会容易收到干扰，使信号发生错误。为此常改用RS-422传输方式。RS-
38、422的信号将被传送出去时会先分成正负的两条线路，当到达接收端后，再将信号相减还原回原来的信号。这样可有效防止杂讯的干扰，传输距离和速度也得到提高。RS-422与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电平在-26V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻
39、辑“1”与“0”的第三态。RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。典型的RS-422是四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。其DB9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS-232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，最大负载能力是104k+100（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交
40、换均可以按软件方式（XON/OFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现7。RS-422的最大传输距离为1219m，最大传输速率为l0Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100m长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。（3）RS-485串行通信接口由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，
41、与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间；RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219m，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获
42、得最高速率传输。一般100m长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。在MCU之间中长距离通信的诸多方案中、RS-485因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化、工业控制、小区监控、水利自动报测等领域，但RS-485总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面存在缺陷、一些细节的处理不当常会导致通信失败甚至系统瘫痪等故障、因此提高RS-485总线的运行可靠性至关重要。（4）USB通用串行通信接口USB通用串行总线接口是现在比较流行的接口，它最大的好处在于能支持多达127个外设，外设可以独立供电，也可以通过USB接口从主板上获得500mA+5V的电流并且支持热拔插，真正做到即插即用。USB
43、的带宽容量可容纳多种不同的数据流，因此可连接大量的设备，并且USB支持在同一时刻的不同设备具有不同比特率，而且可动态变化。USB接口有着功能强大、传输速度高、连接外设数量多，可向外设提供电源等特点，其应用越来越广，但是USB接口的上位机（即PC机）程序的开发有着开发难度大、涉及知识面广、开发周期长等特点，同时在下位机（即单片机）硬件设计时必须选用带有USB接口的单片机或扩展专门的USB接口芯片，这必然会给下位机的软硬件系统设计增加难度并提高了软硬件成本。所以，USB接口通常用于对传输速度要求高、传输功能复杂、或需上位机提供电源的外设和装置上。2.4 方案论证2.4.1 模数转换器的方案选择A/
44、D转换器的种类很多，就位数来分，有8位，10位，12位和16位等。位数越高分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转换器的型号很多，在精度和转换速度上差异很大。常用的有双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器等。1、 双积分A/D转换器双积分式是一种间接式A/D转换器，优点是转换精度高，速度快；缺点是转换时间长，一般要4050ms，适用于转换速度不快的场合。2、 逐次逼近式A/D转换器逐次逼近式的属于直接式A/D转换器，转换精度高，速度高，但价格较贵，是目前种类最多，应用最广的A/D转换器。由于目前逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格都很高，而且本设计应用在要求速度不太高的场合，所以采用廉
45、价的双积分式高精度A/D转换器ICL7109。ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。它的最大的特点是其数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。2.4.2 通信方式的方案选择微机PC和单片机数据采集器之间的数据交换，通信的类型主要有串行和并行两种传输方式。并行传输由于数据线间相互干扰明显，传输距离不能很远，故在此设计主要考虑串行传输方式，串行传输类型主要RS-232总线方式、RS-422总线方式、RS-485总线方式、USB总线方式、IEEE-1394总线方式等。由于本设计对采集的模拟信号速率低，且对周围的环境要求不
46、严格，从设计的简单实用，利于维护，并考虑成本方面的因数，对以上几种传输方式，优选RS-232方式。2.4.3 最终系统设计框架单片机数据采集电路的功能是对多路模拟信号的采集与预处理部分，包括单片机电路、A/D变换器电路、信号处理电路等，选择何种技术要根据设计的电路的应用范围决定，本文设计的数据采集系统是一个应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化、智能家居等领域的通用型数据采集系统，确定该系统采集分辨率为8-12位、通道数为8路、检测速度为几十KPS、信号电平为小于或等于5V、检测距离小于或等于10m。由工作原理和实际的应用出发，系统如图2.1所示。系统由以下几部分组成：CPU（单片机）、选通逻
47、辑模块、A/D转换器ICL7109、电源模块、通信模块等。图2.1整体系统设计框架2.5 本章小节 本章研究了单片机技术、数据采集技术及计算机通信技术等方面进行研究。 分别分析了常用的MCS51单片机、PIC单片机及AVR单片机的特点及应用范围。 研究数据采集技术中分辨率、通道数、检测速度、信号电平及检测点等因素对设计的数据采集系统的影响，由这几个因素决定了该数据采集系统使用的技术。分别对计算机的通信技术的并行接口及串行接口的方式及特点进行研究，重点分析了应用较广的通用串口总线RS-232、RS-422、RS-458、USB等的特点及应用范围。并对本设计的主要部分做出了选择论证，确定了最终的系统设计框架。第3章 硬件部分设计 3.1 单片机的选型由于本系统的采样比较多，储存需要较大的RAM，而且为了减小系统的接线和体积在此采用AT89C52单片机为CPU模块的核心。1、AT89C52整体介绍AT8
